Роботизированная сварка: процесс, преимущества и применение

Сварка — процесс слияния двух материалов через нагрев, перемешивание и охлаждение материалов и/или наполнителя для прочного соединения. От дуговой до точечной сварки — новые и б/у сварочные роботы обычно применяются там, где шов повторяется, а качество и скорость критичны. Роботизированная сварка — автоматизированный процесс, повышающий эффективность, стабильность и ROI.

Что такое роботизированная сварка?

Роботизированная сварка — использование механизированных программируемых инструментов (роботов), полностью автоматизирующих процесс: и выполнение шва, и манипулирование деталью. Процессы вроде МПС (газонезащищенной дуговой сварки), часто автоматизируемые, не всегда эквивалентны роботизированной сварке, так как оператор иногда готовит материалы.

Часто используется для контактной точечной и дуговой сварки в высокопроизводительных приложениях, например, автопром.

Роботизированная сварка — относительно новое применение робототехники, хотя роботы вошли в американскую промышленность в 1960-х. В сварке роботы разгуделись в 1980-х, когда автопром начал массово применять роботов для точечной сварки.

С тех пор число роботов в промышленности и их применений выросло огромно. В 2005 г. в североамериканской промышленности было >120 000 роботов, около половины — для сварки. Рост ограничен высокой стоимостью оборудования, ограничивающей применение высокопроизводительными задачами.

Роботизированная дуговая сварка начала быстро расти недавно и уже занимает ~20% применений промышленных роботов. Основные компоненты дуговых сварочных роботов — манипулятор (механическая единица) и контроллер («мозг» робота).

Манипулятор обеспечивает движение робота, конструкция систем классифицируется на типы: SCARA, картезианские координатные роботы — разные координатные системы для управления манипуляторами.

Робот может сваркивать по заранее запрограммированной позиции, вестись машинным зрением или комбинацией методов. Множество преимуществ роботизированной сварки делает её технологией, помогающей ОЕМ повысить точность, повторяемость и производительность.

Технология обработки сигнатурного изображения разработана с конца 1990-х для анализа электрических данных в реальном времени от автоматизированной роботизированной сварки, позволяя оптимизировать швы.

Оборудование для роботизированной сварки

Роботизированная сварка объединяет сварку, робототехнику, сенсорные технологии, системы управления и ИИ. Компоненты: ПО с программированием, сварочное оборудование (поставка энергии от источника к заготовке), робот, использующий оборудование для сварки.

Процессные сенсоры робота измеряют параметры сварки, геометрические сенсоры — геометрические параметры швов. Получая и анализируя данные с сенсоров, система управления адаптирует выход роботизированного процесса на основе спецификаций сварочной процедуры в программе.

В зависимости от назначения роботы могут быть манипуляторами или роботами-порталами. Обычно используются шестиосевые промышленные роботы: трехосевое плечо + трехосевое запястье — позволяют монтировать горелку на запястье для всех позиций в 3D-сварке.

Система должна быть интегрирована с роботом, сварочное оборудование должно быть совместимо и желательно специально спроектировано для роботизированной сварки — тогда все процессы контролируются роботом.

Как работает роботизированная сварка?

При использовании роботов метод требует адаптации под автоматизацию. То же для сварки — используются инструменты, отсутствующие в ручной сварке. Людям не нужно программирование, как роботам.

Робот имеет руку, движущуюся в 3 измерениях (прямоугольные типы) или через больше плоскостей (артикулированные). Проволодочный подаватель отправляет наполнительную проволоку по мере необходимости. Высокотемпературная горелка на конце руки плавит металл. Температуры достигают тысяч градусов — роботы защищают людей.

Квалифицированные операторы должны оставаться рядом с роботами. Им нужна сертификация American Welding Society (AWS) — сертифицирует не только ручных сварщиков, но и операторов роботизированных рук. Операторы программируют контроллер через пульт обучения (teach pendant). Устройство задает программы, двигает руку, меняет параметры. Для запуска сварки — кнопки на пульте управления.

Инструмент в руке робота нагревается для плавления металла и соединения деталей. По необходимости подаватель подает проволоку к горелке. В ожидании следующих деталей рука водит горелку к очистителю — удаляет брызги металла, которые иначе застыли бы на месте.

Так как одна из главных причин — защита людей, автоматические системы имеют множественные функции безопасности. Дуговые экраны предотвращают смешение дуги с кислородом. Огороженные зоны защищают операторов от температур и яркого света.

Преимущества роботизированной сварки

Несколько преимуществ автоматизации завода сварочными роботами: более быстрые, стабильные циклы, нет перерывов в производстве, лучшее качество шва. Автоматизация сокращает время, издержки на прямой труд и безопасность, экономит материалы.

Роботизированные сварочные ячейки дают более безопасную среду — резко снижают слепоту от дуги, перебрызги, прямой контакт с роботом и деталью. Робот-сварщик стабильнее и быстрее переходит от шва к шву, ускоряя процесс.

• Экономия времени: Роботизированные системы выполняют работу быстро. Новые или б/у роботы — меньше ошибок, чем ручная сварка. Роботы не нуждаются в перерывах, отпусках. Работа может идти беспрерывно 24/7. Это повышает пропускную способность и производительность.
• Сокращение затрат на прямой труд и безопасность: Ручная сварка дорога. Требует времени, мастерства, концентрации. Опасна. Вспышка, дымы, искры, тепло — тяжелая и опасная работа. Роботизированная сварка защищает рабочих и снижает затраты. Системы берут опасности на себя и часто увеличивают выпуск. Страховые и аварийные издержки резко снижаются.
• Экономия материалов: Даже лучшие сварщики ошибаются. С роботами все регулируется — мощность, проволока. Автоматизированные системы экономят энергию за счет стабильной работы (меньше пусков). Швы более стабильны. Точность роботов — меньше отходов материала и времени. Экономьте материал и повышайте качество одновременно!

Некоторые компании переходят к роботизированной сварке постепенно: одна сварочная ячейка, потом полная автоматизация. Роботы помогают при ограниченном или труднодоступном доступе к детали. Производители создали тонкие манипуляторы для малых зон.

Ограничения

Проблема: кабели и шланги (ток, воздух) ограничивают подвижность запястья робота.

Решение — ротационный разъем (swivel), пропускающий сжатый воздух, охлаждающую воду, ток и сигналы в едином вращающемся блоке.

Swivel также позволяет автономное программирование — все кабели и шланги прокладываются по заданным путям манипулятора.

Другие ограничения:

• Сложная программирование для конечного пользователя, не user-friendly, только для специалистов
• Ограниченные API, простое изменение усложняется
• Человеко-машинный интерфейс (HMI) не работает. Системы требуют кастомизации и обучения. Сложно кастомизировать.
• Проблемы связности, отсутствие стандартов взаимосвязи
• Замещает живой труд
• Технология устаревает

Процессы роботизированной сварки

Сварка требует высокого мастерства. Но количество профи не покрывает потребности отрасли. По AWS, к 2022 г. дефицит составит 450 000 сварщиков. Вместо срыва критических проектов роботы берут нагрузку.

Роботы автоматизируют процесс — выше точность, меньше отходы, выше скорость. С доступным оборудованием роботы адаптируются к множеству процессов: дуговая, контактная, точечная, TIG и др.

1. Дуговая сварка

Один из самых частых типов роботизированной сварки. Электрическая дуга дает экстремальное тепло — до 6500 °F (3600 °C), плавит металл. Расплав соединяет детали, затвердевая в стабильное соединение. Для больших объемов точных соединений — идеально.

2. Контактная сварка (Resistance Welding)

Когда нужна термообработка или снижение затрат — роботы используют контактную сварку. Электрический ток создает расплав между двумя металлическими базами. Расплав соединяет детали.

3. Точечная сварка (Spot Welding)

Некоторые материалы сопротивляются току — исключает другие виды сварки. Часто в автопроме для сборки кузова. Роботы используют разновидность контактной сварки для соединения пары тонких листов в одной точке.

4. TIG-сварка

Приложения, требующие высокой точности, могут нуждаться в TIG. Также — аргонондуговая сварка с вольфрамовым электродом (GTAW). Электрическая дуга проходит между вольфрамовым электродом и базой металла.

5. MIG-сварка

Газонезащищенная дуговая сварка (GMAW/MIG) — быстрый и прямой метод с высокой отсадочной способностью. Проволока непрерывно идет на нагретый кончик горелки, плавится, позволяя большому количеству расплава капать на базу для соединения.

6. Лазерная сварка

Когда нужна точность для больших объемов — лазерная сварка предпочтительна. Мелкие детали — ювелирка, медкомпоненты — часто лазерная сварка.

7. Плазменная сварка

Наибольшая гибкость — оператор легко меняет скорость газа в сопле и температуру.

Применение роботизированной сварки

Благодаря экономии времени и высокой производительности роботизированная сварка важна в металлургии и тяжелых отраслях, особенно в автопроме (точечная и лазерная сварка).

Лучше всего для коротких швов с изогнутыми поверхностями и повторяющихся, предсказуемых действий без непрерывных смен процесса. С внешними осями подходит и для длинных швов — судостроение.

Хотя רובотосварка в основном для массового производства (эффективность и количество), программы можно сделать под любые нужды, робототехнику использовать для малых и даже единичных производств с высокой стоимостной эффективностью.

Роботизированная против ручной сварки

Ручная сварка все еще имеет место в современном производстве. Для проектов, где эксперт должен быстро менять стили сварки — ручная сварка лучше. Профессионал мгновенно меняет действия, роботы не так быстро адаптируются к неопределенности.

Так как ручная сварка нужна многим компаниям, профи не исчезнут. Более того, с дефицитом экспертов, сертифицированные сварщики легко найдут работу, даже при инвестициях в роботов.

Замена ручных сварщиков роботами не лишит AWS бизнеса по сертификации. Большинству операторов роботов нужна сертификация по робототехнической сварке, которую AWS тоже дает. Наличие экспертов по робототехнике, знающих сварку, гарантирует правильное программирование проектов для максимальной скорости и стоимостной эффективности.

Видео роботизированной сварки